Международный дебют Михаила Петренко состоялся в 2002 году в Метраполитен-опере в Нью-Йорке, когда монументальную партитуру «Войны и мира» Сергея Прокофьева американской публике представили Валерий Гергиев и режиссер Андрей Кончаловский. Молодой артист исполнил роль Маршала Даву. 2004 году знаковым событием в карьере певца стал триумфальный дебют на сцене Берлинской государственной оперы под управлением Даниеля Баренбойма: в опере «Валькирия» Рихарда Вагнера он исполнил партию Хундинга. С этого момента перед певцом распахнулись двери лучших оперных домов мира, его стали приглашать к участию в престижных музыкальных фестивалях.

Сегодня профессиональная география артиста охватывает ведущие музыкальные театры Европы и Америки. Он выступает в Парижской национальной опере, Метрополитен-опере в Нью-Йорке, театре Ла Скала в Милане, Баварской государственной опере в Мюнхене, Королевском оперном театре Ковент-Гарден в Лондоне, Нидерландской опере в Амстердаме, в Большом театре России, Большом театре Женевы, а также на оперных фестивалях в Зальцбурге и Экс-ан-Провансе, на музыкальных фестивалях BBC Proms в Лондоне и в Вербье.

Обширный оперный и концертный репертуар певца включает басовые партии сочинений русских и зарубежных композиторов: Глинки, Чайковского, Бородина, Мусоргского, Римского-Корсакова, Прокофьева, Рахманинова, Шостаковича, Моцарта, Бетховена, Верди, Гуно, Берлиоза, Вагнера, Рихарда Штрауса, Бартока.

Михаил Петренко в разное время сотрудничал с такими выдающимися дирижёрами, как Валерий Гергиев, сэр Саймон Рэттл, Даниэль Баренбойм, Пьер Булез, Кристоф Эшенбах, Зубин Мета, Лорин Маазель.

Самые престижные классические лейблы – Naxos, Opus Arte, Mariinsky, Bel Air Classiques, Mezzo, Medicci – выпускают записи с участием певца.